高速列车道岔通过轮轨接触关系及动力学研究

作     者：吕小勇 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王勇

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：高速列车 道岔通过 轮轨接触关系 动力学响应 

摘      要：道岔是铁路线路的重要组成部分，车辆在道岔线路运行的环境有别于区间线路，在道岔区轮轨多点接触、结构不平顺和随机不平顺等运行环境的影响下，轮轨接触关系更为复杂，车辆的振动更加剧烈。因此研究车辆通过道岔区的动力学性能尤为重要，本文建立了60 kg/m的18号高速可动心轨道岔模型，结合理论计算与动力学仿真，分析高速动车组车辆通过道岔的相关动力学问题，主要开展的工作如下： （1）变截面高速道岔模型建立：介绍了道岔的结构特征，根据18号高速道岔平面布置图和道岔基本参数，通过理论刨切和插值的方法获取道岔建模的关键截面，在Simpack中建立了考虑钢轨变截面特性、轮背与护轨接触特性的道岔动力学模型，并计算道岔区的结构不平顺，拟合中国高速铁路无砟轨道不平顺。 （2）道岔区轮轨接触关系研究：介绍轮轨接触几何关系和轮轨接触力学关系的求解理论，采用最小距离搜索法确定道岔区轮轨接触点的位置，计算轮轨接触参数，基于半赫兹接触理论计算岔区的轮轨接触斑。发现在没有轨道随机不平顺的影响下，车辆通过道岔时变截面侧的轮轨接触点逐渐外离，滚动圆半径不断减小，在转辙区，距离尖轨尖端5～8 m的位置处接触点会发生突变，同样在辙叉区，距尖轨尖端54.6 m和58.4 m 的位置也会发生接触点突变，轮载发生转移，接触斑内的法向应力增大，产生较大的瞬时冲击。 （3）车辆通过道岔的动力学响应：在Simpack中建立50自由度的单车多刚体车辆模型，对车辆–道岔相互作用模型进行验证;以区间线路的动力学评价标准作为参考，结合道岔区的轮轨冲击特性选取动力学评价指标，仿真车辆通过道岔的动力学响应。发现直逆向通过道岔时尖轨处的横向冲击和心轨处的垂向冲击较大，但其评价指标远小于安全限值;侧逆向通过道岔时尖轨的横向冲击和护轨对轮背的横向冲击影响很大，动力学指标普遍大于直逆向过岔的指标。 （4）道岔区的蛇行稳定性分析：分析直逆向高速通过道岔时出现的晃车现象，仿真复现岔区的蛇行运动。发现在极小的等效锥度下，车辆以350 km/h的速度通过道岔时会出现主频为1.26 Hz的低频晃车;在车轮过度磨耗后，车辆蛇行稳定性不足，通过道岔时其结构不平顺导致车辆出现主频为8.06 Hz的转向架蛇行。通过调整车辆的悬挂参数可以抑制岔区蛇行，但固定的参数不能兼顾两种蛇行运动，需要根据车辆的失稳形式主动调整参数可以提高车辆通过道岔的安全性和平稳性。